Wasserstoffverbindung

Die Wasserstoffbindung oder Wasserstoffbrückenbindung ist eine intermolekulare oder intramolekulare Kraft eine Einbeziehung Atom von Wasserstoff und ein elektronegatives Atom, wie Sauerstoff , der Stickstoff und Fluor . Die Intensität einer Wasserstoffbindung liegt zwischen der einer kovalenten Bindung und der der Van-der-Waals-Kräfte . (Im Allgemeinen sind Wasserstoffbrückenbindungen stärker als Van-der-Waals-Wechselwirkungen.)

Es wurde ursprünglich angenommen, dass das Elektron des Wasserstoffatoms zwischen den gebundenen Molekülen geteilt wurde und dass diese Wasserstoffbindung daher quasi-kovalent war. Wir wissen jetzt, dass es zu 90% elektrostatisch ist. Damit diese Bindung hergestellt werden kann, muss ein Wasserstoffbindungsdonor und ein Akzeptor vorhanden sein:

• der Donor mit einer leeren Quantenzelle besteht aus einer sauren H-Verbindung, dh einem Wasserstoffatom, das an ein Heteroatom gebunden ist (wie in Aminen , Alkoholen , Thiolen );
• Der Akzeptor besteht aus einem Heteroatom (nur Stickstoff, Sauerstoff oder Fluor), das ein nicht bindendes Dublett trägt .

Wenn eine Wasserstoffbindung hergestellt ist, befinden sich die beiden Heteroatome in einem Abstand von ungefähr 0,25  nm .

Ursachen der Wasserstoffbindung

Die Bindung beruht auf der Polarität bestimmter Moleküle (die ein Wasserstoffatom und mindestens ein weiteres elektronegatives Atom enthalten ). Wenn wir das Beispiel eines Wassermoleküls nehmen , bei dem das Sauerstoffatom elektronegativer als die beiden Wasserstoffatome ist, zieht dieses die an den kovalenten Bindungen beteiligten Elektronen mehr an als die Wasserstoffatome an seiner Seite. Dies bedeutet, dass das Sauerstoffatom dann zwei teilweise negative Ladungen aufweist, während jedes Wasserstoffatom eine teilweise positive Ladung aufweist. Das Molekül wird dann aufgrund dieses Ladungsunterschieds polarisiert , da die Schwerpunkt seiner Teilladungen nicht verwechselt werden (in diesem Fall wäre es unpolar).

Dieses Phänomen bewirkt, dass die positiven Pole (Wasserstoffatome) von Einheiten negativer Ladung (Anion, negativer Pol  usw. ) angezogen werden und der negative Pol (Sauerstoff) von Einheiten positiver Ladung (Kation, positiver Pol eines anderen) angezogen wird polarisiertes Molekül  usw. ). Das Wassermolekül kann daher vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden, die ihm viele seiner besonderen Eigenschaften verleihen.

Wasserstoffbrücken bestehen daher aufgrund der Unterschiede in der Elektronegativität zwischen den verschiedenen Atomen, aus denen die Moleküle bestehen.

Folgen der Wasserstoffbindung

Die Wasserstoffbindung wird dann zwischen allen Molekülen hergestellt, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen; Der Fall einer Carbonsäure (R-COOH) wird zum Beispiel betrachtet .

Beachten Sie, dass alle Moleküle auf der Ebene der Alkoholfunktion miteinander verbunden sind. Das "R" -Alkylradikal hat dann einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Stärke dieser Bindung. Tatsächlich polarisieren die Länge der Kette und ihre Zusammensetzung die Bindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff mehr oder weniger stark. Wenn die H-Bindung (wie sie üblicherweise genannt wird) geschwächt wird, sind auch die intermolekulare Kohäsion und die Siedetemperatur der betreffenden Substanz niedriger. Mit anderen Worten, es wird weniger Energie (durch Wärme) benötigt, um die Moleküle voneinander zu trennen. Im Gegenteil, für Wasser (H 2 O.), Ammoniak ( wässriges NH 3) oder Fluorwasserstoff (HF) ist die XH-Bindung so polarisiert, dass die sich bildenden H-Bindungen Substanzen mit ungewöhnlich hohen Siedepunkten ergeben.

Eine andere Illustration kann das von festem Wasser (Eis) sein. Dies liegt daran, dass das Wassermolekül das typische Beispiel für die H-Bindung ist. H-Bindungen werden hergestellt, sodass der flüssige Zustand des Wassers der kompakteste Zustand ist, während es für die meisten anderen reinen Substanzen der feste Zustand ist. In Eis hat Wasser die gleiche tetraedrische Struktur (Struktur, die durch diese Bindungen ermöglicht wird) wie in flüssigem Wasser, nimmt jedoch ein größeres Volumen an. Dies ist der Grund, warum Eis in gleichen Mengen mehr Volumen als Wasser einnimmt (Eiswürfel schwimmt auf Wasser) und warum Eis schneller schmilzt, als Wasser fest wird.

Schließlich - und obwohl die Liste nicht erschöpfend sein kann, da das Anwendungsgebiet dieser Bindung sehr groß ist - werden wir den Fall von Polymeren wie Poly-para-phenylenterephthalamid (besser bekannt unter dem Namen Kevlar) erwähnen. Die Polymerketten sind durch H-Bindungen aneinander gebunden , wodurch sie ihre sehr interessanten Beständigkeitseigenschaften erhalten. Weitere Informationen finden Sie unter Kevlar .

Typologie

Im Allgemeinen gibt es drei Arten von Wasserstoffbrücken (kovalent in dem Wissen, dass Dubletts zwischen 100 und 500  kJ · mol -1 liegen ):

• mit schwachen Bindungsenthalpien zwischen 1 und 4  kJ · mol -1  :
  • Wasserstoffbrücken dieser Intensität ähneln den Van-der-Waals-Kräften. Sie gehören zur elektrostatischen Kategorie. Bei einer solchen Wechselwirkung liegt der Abstand zwischen den Atomen zwischen 2,2 und 4,0  Å und der durch diese Bindungen gebildete Winkel zwischen 90 ° und 150 °.
  • Die besten Beispiele für schwache Wasserstoffbrücken sind Gasphasen - Dimere , die bestimmten schwache Säuren und Systeme , in denen C - HO / N und O / N - H˖˖˖π Bindungen gefunden werden;
• mit mäßig lokalisierten Enthalpien zwischen 4 und 15  kJ · mol -1  :
  • Da diese Art von Bindungen zwischen den beiden Extremen liegt, haben ihre Eigenschaften Medianwerte: eine Länge der Bindungen zwischen 1,5 und 3,2  Å und Winkel von 130 ° bis 180 °,
  • Alle Carbonsäuren , Alkohole , Phenole , "  Hydrate  " und biologischen Moleküle enthalten moderate Wasserstoffbrücken.
• stark mit Enthalpie zwischen 15 und 40  kJ · mol -1  :
  • Ähnlich wie bei kovalenten Bindungen bilden starke Wasserstoffbrücken engere Wechselwirkungen im Bereich von 1,2 bis 2,5  Å . Die von diesen Gliedern gebildeten Winkel sind 175 ° -180 ° und daher größer als die von schwachen Gliedern.
  • Die "Dimer" -Gasphase mit starken Säuren , die Säuresalze , die "Protonenschwämme", die "Pseudohydrate" und die HF-Komplexe sind gute Beispiele.

Ein Beispiel für eine sehr starke Bindung ist FH - F - in KHF 2 mit etwa 212  kJ mol −1 . Wir können denken, dass es in diesem Fall besser ist, F - M - F zu schreiben. Der Gesamtabstand zwischen F - H - F beträgt nur 2,49  Å und zwischen den verschiedenen Molekülen wird ein Winkel von 120 ° gebildet.

Eigenschaften von Wasserstoffbrücken

Drei Hauptmerkmale definieren Wasserstoffbrücken sowie deren Interaktivität:

1. Wasserstoffbrückenbindungen sind intermolekulare Bindungen, deren Atome eine bestimmte Richtung aufweisen. In einem Netzwerk von H-Brücken ist ihre Architektur daher stark optimiert. Diese Eigenschaft von H-Brücken ermöglicht es, dass Wasser auf bestimmte Weise kristallisiert und sich in Eis verwandelt. Die Abkühlbedingungen beeinflussen die Geometrie des Kristallgitters des Eises. Diese Wechselwirkungen sind auch verantwortlich für die bemerkenswerten Eigenschaften von Eis und Wasser: Volumenabnahme in der Schmelz- und maximaler Dichte bei 4  ° C . Infolgedessen schwimmt Eis auf flüssigem Wasser;
2. Aufgrund ihrer geringeren Intensität können sich Wasserstoffbrückenbindungen im Gegensatz zu kovalenten Bindungen bei Raumtemperatur ändern. Tatsächlich können sich die H-Brücken bei etwa 27  ° C entwickeln, indem sie sich ändern, indem sie brechen oder neue Wechselwirkungen bilden. Es ist diese Flexibilität, die unter anderem biologische Moleküle benötigen, um sich ständig weiterzuentwickeln. Diese Eigenschaft ist auch für die Solubilisierung hydrophiler Spezies in Wasser wesentlich. Viele Wassermoleküle enthalten bei Raumtemperatur genügend flexible Wasserstoffbrückenbindungen, um einen flexiblen Solvatations- "Käfig" um die Ionen herum zu bilden, um zu verhindern, dass sie weitere Bindungen mit verschiedenen Ionen entgegengesetzter Ladung bilden.
3. Die Sekundärstrukturen von Proteinen wie die Alpha-Helix und das Beta-Faltblatt werden durch eine spezifische Anordnung von H-Brücken gebildet. Diese Sekundärstrukturen sind durch Schleifen undefinierter Form miteinander verbunden, um eine Tertiärstruktur zu bilden. DNA-Helices werden auch durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Es kann daher angenommen werden, dass die Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser und in Proteinen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde und sogar seines Aussehens gespielt hätten.

Anmerkungen und Referenzen

1. Alain Gerschel , Intermolekulare Bindungen: Die Kräfte, die in kondensierter Materie wirken , Paris, EDV-Wissenschaften ,2012, 2 nd  ed. 288  p. ( ISBN  978-2-7598-0278-4 , online lesen ) , p.  12
2. (in) TW Martin und Zygmunt S. Derewenda , "  Der Name ist Bond-H-Bindung  " , Nature Structural Biology , Vol.  6, n o  5,Mai 1999, p.  403-406 ( DOI  10.1038 / 8195 , online lesen )
3. Y. Maréchal und A. Witkowski, J. Chem. Phys. 48 (1968), 3697.

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

• Elektronegativität

Externe Links

• Yves Maréchal, "  La Bond Wasserstoff  " (konsultiert am 25. April 2009 )

Literaturverzeichnis

• Jane Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky und Robert B. Jackson, Campbell Biology , 9 th  ed. , Kap.  3 ( ISBN  978-0321558237 )
• (en) A. Jeffrey, G., Eine Einführung in die Wasserstoffbindung , Series Editor,1997, p.  11-14
• O. Henri-Rousseau und P. Blaise, Adv. Chem. Phys. 103 (1998), 1-186.